《Bi基低維熱電材料的結構設計與性能最佳化》是依託武漢大學，由劉惠軍擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：Bi基低維熱電材料的結構設計與性能最佳化
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：劉惠軍
- 依託單位：武漢大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
熱電材料是利用固體內部載流子運動實現熱能和電能直接相互轉換的功能材料。在世界性能源危機和環境污染日益嚴重的情況下，熱電材料以其節能環保的優勢受到廣泛關注。理論預言和實驗研究都表明，結構低維化和尺寸納米化可以大幅度提高材料的熱電性能。本項目在相應塊體結構的基礎上，考慮以Bi、Sb、Te等為基元構造若干低維納米結構，包括二維片層及其納米帶、一維納米線和納米管、零維納米糰簇和籠型結構，以及它們衍生而成的特殊結構，並通過第一性原理和非平衡格林函式方法研究這些低維體系的熱電性能。我們將分別研究它們的結構、電子、聲子、熱電特性，探討尺寸納米化以及結構低維化所出現的量子限制效應和表面效應，闡明它們對電熱協同輸運的影響規律。我們還將研究如何利用化學摻雜、表面修飾、引入無序、形成缺陷等途徑進一步最佳化這些低維體系的熱電性能，以便為相關的實驗研究提供一些有意義的指導，為高性能熱電材料的探索提供有價值的參考依據。
結題摘要
在能源危機日益嚴重的今天，新型熱電材料的探索具有重要的現實意義。本項目採用第一性原理和非平衡格林函式等方法，研究若干Bi基低維體系的結構、電子、聲子、熱電特性。研究表明，選取optB86b形式的vdW泛函可以準確地預測Bi2Te3及類似體系的晶格參數，而且vdW相互作用對體系能帶結構的影響不可忽視；另外，我們還利用GW方法計算了準粒子修正對能帶結構的影響。我們認為，只有明確考慮這兩種效應，才可以非常準確地預測體系的電子、輸運、以及熱電性能。我們擬合第一性原理的計算結果確定了Bi2Te3五原子層（QLs）結構中的Morse勢參數。通過調節體系的載流子濃度和工作溫度、以及等電子摻雜，體系的熱電性能可以得到明顯最佳化。在厚度為3 QLs及以上的Bi2Te3薄膜中存在著非平庸的拓撲表面態，它對調控體系的熱電性能起著至關重要的作用。由於表面態和體態對電輸運係數的貢獻存在微妙的競爭關係，且與量子限制效應耦合在一起，體系的熱電性能隨薄膜厚度的變化出現令人驚奇的非單調變化行為。有效利用拓撲表面態不僅可以顯著提高Bi2Te3拓撲絕緣體薄膜的熱電性能，還可以解決長期以來該體系熱電性能的p-n不對稱問題。alpha相Bi單層的熱電性能具有明顯的各向異性，由於較弱的電-聲耦合作用，體系的室溫ZT值可最佳化到6.4（n型）。另外，在很寬的溫度和載流子濃度範圍內，體系的ZT值都大於2.0。beta相Bi單層具有較高的Seebeck係數，其室溫熱導率約是塊材的1/2，表現出明顯較高的熱電性能；此外，n型體系的ZT值隨溫度的增加而增加，p型體系的ZT值隨溫度變化不明顯。通過選擇合適的溫度，可以使n型和p型體系的ZT值相等。扶手椅型BiSb納米帶的能隙大小隨寬度的變化表現出明顯的奇偶振盪行為。由於具有很高的Seebeck係數和很低的晶格熱導率，體系的熱電性能可以通過最佳化載流子濃度得到顯著提高。當寬度增加時，Bi納米帶會發生拓撲相變。如果邊緣態和體態電子弛豫時間之比較小，具有拓撲邊緣態體系的ZT值要比只有平庸邊緣態的略低；當比值較大時，邊緣態的貢獻將占據主導地位，體系的熱電性能也得到明顯提升。[110]取向的Bi2Te3納米線的能隙隨截面寬度的增大而減小，而[210]取向的納米線的能隙隨寬度變化表現出奇偶振盪的特點。由於相對較大的Seebeck係數和較小的聲子熱導率，後者比前者具有更好的熱電性能。
